無線傳輸技術(shù)在工業(yè)測(cè)振中的應(yīng)用和發(fā)展

賴為民，佘啟軍，郝 倩 ，鄭建新，錢國義，成 兵

（1.武漢鋼鐵股份有限公司，湖北 武 漢 4 30080；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 1 00124；3.武漢昊海立德科技有限公司，湖北 武 漢 4 30080；4.武漢蜂網(wǎng)科技公司，湖北 武 漢 4 30083）

一、應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)開發(fā)的無線傳輸系統(tǒng)有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，采用無線短程網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)及有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)送入上位計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理；第二，針對(duì)一臺(tái)設(shè)備只要設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)即使有很多設(shè)備同時(shí)作業(yè)，只要每臺(tái)設(shè)備設(shè)一個(gè)采集終端，所有數(shù)據(jù)都能夠經(jīng)由部署在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，可靠地送入計(jì)算機(jī)。而無線網(wǎng)絡(luò)又分為兩個(gè)層面：現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)包括測(cè)量?jī)x表和控制設(shè)備，工廠網(wǎng)絡(luò)則包括移動(dòng)終端、人員設(shè)備跟蹤設(shè)備、移動(dòng)通信工具、視頻監(jiān)控等。在無線工廠網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以通過無線移動(dòng)終端來訪問控制設(shè)備管理信息。使用跟蹤設(shè)備還可以對(duì)工作人員和設(shè)備進(jìn)行無線定位，工作安全性得以提高。在無線工廠網(wǎng)絡(luò)中，一般使用的是工業(yè)WiFi技術(shù)。在無線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，一般使用WirelessHART技術(shù)、ZigBee技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)的無線設(shè)備組成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備之間的通信可以自由選擇路徑，設(shè)備數(shù)量可以任意擴(kuò)展。

無線測(cè)振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了ZigBee通信模塊，并配置成mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)測(cè)振儀在網(wǎng)絡(luò)中就等同于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，既可作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，也能作為網(wǎng)絡(luò)的路由中繼節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)存在ZigBee主控節(jié)點(diǎn)，并與控制中心的PC機(jī)或工控機(jī)連接，轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送控制采集命令給測(cè)振儀，接收各測(cè)振儀送回的振動(dòng)數(shù)據(jù)信息，對(duì)此進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程振動(dòng)信息監(jiān)控。武鋼冷軋總廠現(xiàn)采用該類無線測(cè)振技術(shù)對(duì)電機(jī)的狀況進(jìn)行檢測(cè)并取得良好效果。安裝工程只需幾天，就可以連續(xù)提供精確的振動(dòng)數(shù)據(jù)，測(cè)振裝置可對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中分析軟件進(jìn)行分析和處理，預(yù)先發(fā)現(xiàn)和確定問題所在，以適時(shí)安排維護(hù)工作。

二、工廠中無線技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

無線技術(shù)在工廠中的應(yīng)用范圍很廣，它可以幫助用戶解決很多實(shí)際問題，如延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、優(yōu)化工藝裝置效率、減少維護(hù)工作量和滿足安全及環(huán)保要求等。

1.延長(zhǎng)設(shè)備壽命。設(shè)備故障和相關(guān)的維護(hù)工作既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢，同時(shí)也影響工廠的產(chǎn)量和效率。故障不及時(shí)排除也將縮短設(shè)備使用壽命。無線技術(shù)可以有效監(jiān)測(cè)這些設(shè)備，省去繁瑣的布線工作，有效延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2.優(yōu)化工藝裝置的效率。很多工藝設(shè)備現(xiàn)在都缺乏有效監(jiān)測(cè)，帶故障運(yùn)行會(huì)降低生產(chǎn)效率。無線方案以經(jīng)濟(jì)的方式提供額外的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行有效的在線監(jiān)測(cè)，以提高生產(chǎn)效率。這些測(cè)量點(diǎn)包括以前無法實(shí)現(xiàn)的測(cè)量點(diǎn)，如在移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的測(cè)量點(diǎn)，或是在危險(xiǎn)場(chǎng)合的測(cè)量點(diǎn)。

3.減少維護(hù)工作量。大多數(shù)工廠仍然采用被動(dòng)式的維護(hù)方式，無線測(cè)振方案可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，用戶只需對(duì)有故障預(yù)警的設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性和前瞻性維護(hù)。

三、測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.解決問題的必要條件。解決問題的必要條件是開發(fā)具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的嵌入式數(shù)采器和規(guī)劃實(shí)用的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，采用明晰、合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。常見系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 樹形網(wǎng)絡(luò)

圖2 星形網(wǎng)絡(luò)

一個(gè)ZigBee個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）包括一個(gè)協(xié)調(diào)器、一個(gè)或多個(gè)終端設(shè)備。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中必須要有一個(gè)協(xié)調(diào)器，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和協(xié)調(diào)；路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的路由選擇，并用來拓展網(wǎng)絡(luò)范圍；終端設(shè)備是實(shí)現(xiàn)具體功能的單元。在無線測(cè)振系統(tǒng)中通常是加速度及位移傳感器。

2.從節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。從節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)是振動(dòng)測(cè)量的基本單元，主要完成對(duì)監(jiān)控設(shè)備的速度、加速度信號(hào)的測(cè)量。從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

3.無線傳輸電路。圖4采用的是美國某公司的XBee-PRO2ZigBeeOEM無線射頻模塊，它具有部署快、接口簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)分為主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)兩部分，具體軟件流程如圖5所示。主節(jié)點(diǎn)的任務(wù)通過基于VB/LabVIEW等開發(fā)環(huán)境開發(fā)的上位機(jī)操作界面完成，主要完成兩部分內(nèi)容：（1）網(wǎng)絡(luò)初始化與通信鏈路的建立，這部分工作主要由開發(fā)上位機(jī)在底層完成。搜索成功可以搜集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，包括節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)地址等；（2）網(wǎng)絡(luò)成功建立后，用戶可以發(fā)出監(jiān)測(cè)指令，選擇目的從節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)速度、加速度測(cè)量，操作界面實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)時(shí)間。測(cè)量間隔根據(jù)具體要求進(jìn)行設(shè)定，即主節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送速度加速度測(cè)量指令，啟動(dòng)定時(shí)測(cè)量。主節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5a所示。從節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5b所示，從節(jié)點(diǎn)主要完成指令接收，讀取速度、加速度傳感器數(shù)據(jù)并記錄測(cè)量時(shí)間。數(shù)據(jù)采集需要單片機(jī)嚴(yán)格按照讀取時(shí)序操作，以確保數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)采集后單片機(jī)一方面送液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示，另一方面通過監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳送給主節(jié)點(diǎn)。由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)區(qū)域的無線速度、加速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

四、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——WirelessHARTTM

到目前為止，世界上只有WirelessHART是已經(jīng)正式發(fā)布的適合于過程控制行業(yè)使用的無線國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)。

1.自組織、自適應(yīng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它不要求用戶具有無線技術(shù)方面的專門知識(shí)，設(shè)備在網(wǎng)中會(huì)自動(dòng)查找最佳的通信路徑；網(wǎng)絡(luò)具有連續(xù)監(jiān)視通信路徑的功能，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)通信性能下降時(shí)，它能自行修復(fù)；網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)功能，無需人員干預(yù)就可以可靠運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和重組能力強(qiáng)；支持星形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，帶信道跳頻。它符合IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)；采用2.4GHz通用頻率，可細(xì)分成16信道；信道間可以連續(xù)跳頻，避免干擾和提高可靠性；增加了擴(kuò)展跳頻〔FHSS〕技術(shù)，具有極高的可靠性。

3.具有自修復(fù)功能。如果網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)障礙，設(shè)備將自動(dòng)尋找其他最佳替換通信路徑，創(chuàng)建新的通信路徑以保證信息暢通。

4.與現(xiàn)有主機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無縫連接。網(wǎng)關(guān)和主機(jī)控制系統(tǒng)的集成是透明和無縫的；主機(jī)控制系統(tǒng)無需升級(jí)和特別軟件；網(wǎng)關(guān)的接入采用標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議。

五、結(jié)束語

基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測(cè)振系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且開發(fā)成本較低，性價(jià)比高，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，只需安裝一次就可以進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)工作，因而具有傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)。能較好地解決傳統(tǒng)測(cè)振監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的布線搬遷等問題，非常適用于復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。總之，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備振動(dòng)檢測(cè)，無需布線、節(jié)省安裝時(shí)間和安裝費(fèi)用，可大大提高檢測(cè)效率，具有很好的應(yīng)用前景。

在無線測(cè)振技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用上，目前國內(nèi)外都在探索適合當(dāng)前無線技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，又能實(shí)現(xiàn)無線技術(shù)特點(diǎn)的應(yīng)用。設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控中無線技術(shù)大有可用之處。在使用電纜相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)比較復(fù)雜惡劣的場(chǎng)合可方便地利用無線技術(shù)替代常規(guī)方法，無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于其小型化、集成化、低維修費(fèi)用、少安裝時(shí)間等特點(diǎn)而成為近年來結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。如監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備或移動(dòng)機(jī)械設(shè)備內(nèi)的某些參數(shù)時(shí)，利用無線傳輸可避免采用不可靠的滑環(huán)接觸傳輸信號(hào)；在沒有可供電纜敷設(shè)的地方，或是距離較長(zhǎng)而檢測(cè)點(diǎn)很分散的地方，無線傳輸?shù)慕鉀Q方案既節(jié)省費(fèi)用，又能快捷地實(shí)現(xiàn)。

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